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Synthetische Frequenznormale

13.12.2011

Einer der größten Beiträge zur systematischen Unsicherheit atomarer Frequenznormale ergibt sich typischerweise durch die Verschiebung der atomaren Übergangsfrequenz durch das thermische Strahlungsfeld, dem die Atome im Probeaufbau ausgesetzt sind. Zumeist besteht der Probeaufbau aus einem Ultrahochvakuumgefäß und das thermische Strahlungsfeld entspricht annähernd der Schwarzkörperstrahlung bei der gegebenen Umgebungstemperatur. Dementsprechend verschiebt sich die Frequenz eines atomaren Normals proportional zu T4, wobei T die absolute Temperatur ist. Der Proportionalitätsfaktor hängt in guter Näherung nur von den statischen Polarisierbarkeiten der Energiezustände des benutzten atomaren Referenzübergangs ab.

Wir haben theoretisch ein neues Konzept für atomare Frequenznormale untersucht, das es ermöglicht, eine reproduzierbare "synthetische" Ausgangsfrequenz zu erzeugen, die in einem weiten Bereich von der Umgebungstemperatur unabhängig ist. Das Konzept beruht darauf, zwei Frequenznormale mit unterschiedlicher Schwarzkörper-Verschiebung im gleichen thermischen Strahlungsfeld zu betreiben und zwei Komponenten des Spektrums eines optischen Frequenzkammgenerators auf die Ausgangsfrequenzen ν1 und ν2 zu stabilisieren. Im Frequenzkammspektrum gibt es dann eine Komponente νsyn, für die sich die Schwarzkörper-Verschiebungen von ν1 und ν2 kompensieren (Bild 1). Die Genauigkeit der Kompensation hängt in der Praxis vor allem davon ab, wie genau das Verhältnis der Schwarzkörper-Verschiebungen von ν1 und ν2 bekannt ist [1].

Dieses Konzept ließe sich mit verschiedenen Kombinationen von bereits etablierten optischen und Mikrowellen-Frequenznormalen realisieren. Besonders einfach ist die Realisierung mit einem einzelnen in einer Falle gespeicherten 171Yb+-Ion: wie in der Abbildung gezeigt, besitzt 171Yb+ zwei optische Referenzübergänge, die abwechselnd angeregt werden können. Die Schwarzkörper-Verschiebungen ihrer Frequenzen sind stark unterschiedlich und führen zu einer synthetischen Frequenz im Bereich von νsyn≈600 THz.

Bild 1: Schema eines optischen Frequenznormals mit synthetischer Ausgangsfrequenz νsyn auf der Basis eines gespeicherten 171Yb+-Ions.


Literatur:

[1]       V.I. Yudin, A.V. Taichenachev, M.V. Okhapkin, S.N. Bagayev, Chr. Tamm, E. Peik, N. Huntemann, T.E. Mehlstäubler, F. Riehle: Atomic clocks with suppressed blackbody radiation shift, Phys. Rev. Lett. 107, 030801 (2011)